Dlaczego syntezator muzyczny zbudowany z łańcucha sprawnych obwodów multiwibratora po kilku godzinach „przestaje działać”?

Zbudowałem prototypowy syntezator klawiatury / dźwięku przy użyciu łańcucha 13 stabilnych obwodów multiwibratora, których wyjścia są podłączone do układu wzmacniacza audio (LM386) i głośnika, wszystkie zasilane z akumulatora 9 V DC.

Każdy obwód jest dostrajany do jednej z 13 częstotliwości w muzycznej oktawie (C5, C #, D itd. Do C6) poprzez zmianę precyzyjnego strojenia trymotru, który jest szeregowo z określonymi wartościami rezystora i który wprowadza oscylację do częstotliwość gry w piłkę

Oscylacja to klasyczny astabilny multiwibrator BJT, który można zobaczyć na rycinie 1 tutaj i który wyjaśniono w tym artykule .

Prototyp pozostaje poprawny przez krótki czas (do jednego dnia).

Tutaj możesz usłyszeć, jak to brzmi. (Bezpiecznie zacząć od 0:49 s - stała Wadswortha ;))

Nie mogę zrozumieć, dlaczego obwód wydaje się spontanicznie przestrajany, tj. Jeden lub więcej poszczególnych obwodów kończy się na częstotliwościach innych niż te, do których zostały dostrojone (sprawdzone względem zakresu i fortepianu odniesienia) .

Odchylenie częstotliwości odstrajania wynosi zwykle 2-5%, co jest słyszalnie zauważalne (np. C5 przy 523 Hz może wędrować do 540 Hz lub 510 Hz). Co ciekawe, przestrajanie nigdy nie występuje podczas gry. Ale kilka godzin później klawisze nie brzmią już tak samo.

Początkowo myślałem, że może garnki trymerów same się mechanicznie relaksują. Aby to wyeliminować, wymieniłem donice trymera, aby spróbować „zablokować” określone częstotliwości na podstawie samych wartości rezystorów, aby nie pozostała zmienność w projekcie.

Ale problem z rozstrajaniem utrzymuje się nawet po zastąpieniu trimpotów stałymi wartościami rezystorów.

Przed: 13-klawiszowy syntezator analogowy ze stałymi wartościami rezystorów

Rozdzielczość: Dziękujemy wszystkim za przydatne opinie, pomysły na projekty cyfrowe i kontekst historyczny, aby lepiej zrozumieć wyzwania związane z czystym projektowaniem analogowym. Wszystkie odpowiedzi były doskonałe. Zaakceptowałem odpowiedź ToddaWilcoxa, gdy z niej wyciągam wniosek, że (a) odstrojenie jest oczekiwaną częścią czysto analogowych konstrukcji, (b) kunszt polega na tym, jak szybko i precyzyjnie dostroić instrument.

Aby rozwiązać natychmiastowy problem, umieściłem z powrotem donice trymera (1-2 000 omów) w projekcie, aby zapewnić 2-5% dostrajania każdego klawisza. Na początku gry dostrajanie 13 oscylatorów zajmuje kilka minut, po czym pozostają w zgodzie przez kilka godzin na raz. Zobacz nowy obraz poniżej.

Opublikuje wyniki eksperymentów przy użyciu świeżej baterii. Projekty cyfrowe (wykorzystujące dzielnik cyfrowy i / lub układy czasowe 555) są interesujące i potencjalnie znacznie zmniejszą rozmiar. Przyszłe aktualizacje można znaleźć na stronie projektu tutaj .

Po: 13-klawiszowy analogowy syntezator z potencjometrem (1-2 k omów) dla możliwości strojenia

Nie mogę zrozumieć, dlaczego obwód wydaje się spontanicznie przestrajany, tj. Jeden lub więcej poszczególnych obwodów kończy się częstotliwościami, które różnią się od tego, do czego zostały dostrojone (użył oscopa, a następnie fortepianu odniesienia).

Zmiany temperatury, jak wspomniano w drugiej odpowiedzi.

Dodaję tutaj odpowiedź, ponieważ jako muzyk wolę dźwięk oscylatorów, które są w 100% analogowe, niż projekt oparty na:

obwód, który wykorzystuje jako pojedynczy oscylator wyższej częstotliwości oparty na krysztale o małej tolerancji. Następnie stosuje się cyfrowe liczniki, aby podzielić tę częstotliwość na żądaną częstotliwość dla każdej nuty skali.

EE na tym Stosie mogą bez końca komentować, że naukowo nie byłbym w stanie usłyszeć różnicy. Uwierz mi, kiedy mówię, że mój portfel bardzo żałuje, że nie słyszę różnicy, ale mogę, i to nie jest subtelne.

W każdym razie główni w 100% producenci syntezatorów analogowych, tacy jak Moog Music i Sequential Circuits (wcześniej DSI), rozwiązali ten problem na różne sposoby na przestrzeni lat. Oldschoolowe rozwiązanie wymaga interwencji użytkownika i częstego dostrajania. Oryginalny Moog Minimoog (AKA „Model D” po swoim najbardziej popularnym wariancie) miał wbudowany obwód oscylatora kwarcowego, który nie był częścią ścieżki sygnału, ale tworzyłby stabilny ton 440 Hz. Włączasz kryształowy ton 440 Hz, następnie grasz na klawiaturze A, a następnie obracasz pokrętłem Master Tuning, aby ponownie dostroić syntezator przez ucho. Było to praktyczne, ponieważ Minimoog był / jest (został ponownie wydany z pewnymi ulepszeniami technologicznymi) monosynth. Po dostrojeniu zestawu trzech oscylatorów razem, gotowe.

Sequential Circuits Prophet 5 to inna sprawa. Cała generacja audio i ścieżka sygnału są analogowe i mają tendencję do dryfowania, i w pewnym sensie stosuje się podobny proces jak Minimoog do strojenia, ale zamiast użytkownika słuchającego kryształowego tonu oscylatora i ręcznego strojenia oscylatorów analogowych, Prophet 5 wyposażony jest w automatyczną kalibrację strojenia sterowaną mikroprocesorem. Według jednego źródła strojenie trwało około 15 sekund po naciśnięciu przycisku Tune.

Jednym z powodów, dla których konieczny był automatyczny system dostrajania dla Proroka 5, był fakt, że zamiast być monofonicznym syntezatorem 3 oscylatorów, był on polifoniczny z 5 głosami po 2 oscylatory każdy, w sumie dziesięć oscylatorów. Ponieważ dryf mógł się zdarzyć w trakcie koncertu, potrzebny był dość szybki sposób na ponowne dostrojenie syntezatora, aby był on użyteczny dla muzyków.

Sugeruję więc, jeśli budujesz własne oscylatory w celu uzyskania tego 100% analogowego tonu, będziesz chciał wymyślić jakiś mechanizm strojenia. Być może będziesz musiał pobawić się projektami oscylatorów, aby uczynić je tak stabilnymi termicznie, jak to możliwe.

Gdybym szedł tą drogą, zacząłem od metody Mooga i upewniłem się, jak zaprojektować główne pokrętło strojenia, którego mogę użyć, aby szybko ponownie dostroić syntezator i pracować, aby uzyskać projekt stabilny przynajmniej godzina w typowym pokoju domowym. Następnie mogę spojrzeć na „stopniowanie” do sczepiania mikroprocesora, który może elektrycznie porównać oscylatory z kryształem odniesienia i automatycznie wyregulować pokrętło strojenia.

Dzisiaj zarówno Sequential Circuits, jak i Moog Music mają regulowane strojenie kontrolowane mikroprocesorem w czasie rzeczywistym w produktach Prophet 6 i Model D Reissue, a Sequential oferuje nawet dodatkową kontrolę, która pozwala kontrolować, jak dobrze mikroprocesor utrzymuje strojenie, aby uzyskać trochę rocznika oscylator w stylu dryfuje w dźwięku.

Więcej informacji o projekcie Prophet 5

Jednym ze sposobów, w jaki oscylatory dla Proroka 5 stały się bardziej stabilne, było zastosowanie analogowych układów scalonych, które miały jak najwięcej kompletnego oscylatora na jednym układzie. Oznaczało to, że wszystkie elementy na chipie zmieniały razem temperaturę (przynajmniej bliżej siebie niż elementy dyskretne).

Był też „obwód kompensacji temperatury na chipie”. Nie jestem do końca pewien, co się z tym wiąże, ale domyślam się, że jest to konstrukcja obwodu, która wykorzystuje komponenty na chipie, aby rzeczywiste przesunięcia napięcia z powodu „anulowania” temperatury chipa w jak największym stopniu.

Strona 2-19 Podręcznika serwisowego Proroka 5 jest bardzo interesująca na ten temat: https://medias.audiofanzine.com/files/sequentialcircuitsprophet-5servicemanual-text-470674.pdf

I znalazłem interesujący artykuł na temat projektów obwodów analogowej kompensacji temperatury dla oscylatorów kwarcowych: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.11.2410&rep=rep1&type=pdf

Wyraźnie zbudowałeś obwód, który jest w pełni analogowy i wytwarza częstotliwość w każdym oscylatorze, który jest zależny od różnych czynników, takich jak:

1. Zmiany w poziomie napięcia zasilacza oscylatora.
2. Zmiany poziomu Vbe tranzystorów z temperaturą.
3. Zmiany wartości rezystorów w czasie i temperaturze.
4. Zmiany wartości kondensatorów w czasie i temperaturze.
5. Zmiany właściwości dielektrycznych kondensatora w konfiguracji astabilnego oscylatora.
6. Zachowanie obwodu bezpańskiego zmienia się z powodu rzeczy w pobliżu prototypu.
7. Pozycja księżyca względem słońca widziana z ziemi.

Istnieją sposoby budowania obwodów, które nie mają tak dużego dryfu w częstotliwości roboczej. Mają one na celu wyeliminowanie lub anulowanie różnych efektów wymienionych powyżej. Jednym konwencjonalnym sposobem jest zaprojektowanie obwodu, który wykorzystuje jako pojedynczy oscylator wyższej częstotliwości w oparciu o kryształ o małej tolerancji. Następnie stosuje się cyfrowe liczniki, aby podzielić tę częstotliwość na żądaną częstotliwość dla każdej nuty skali.

Aby pokazać wartość podejścia z układem cyfrowym, stworzyłem mały arkusz kalkulacyjny, który pokazuje oktawę nut od C5 do C6. (Częstotliwości nominalne są wartościami zaczerpniętymi z wykresu znalezionego w Google i nie obliczonymi w arkuszu kalkulacyjnym ze wzorami skali z odniesienia A [440]).

Używając częstotliwości krystalicznej 22,1184 MHz (która jest częstą częstotliwością MCU stosowaną w 8-bitowym biznesie osadzonym) , można zobaczyć, że przy całkowitym cyfrowym współczynniku podziału dla każdej nuty, generowana częstotliwość jest bardzo zbliżona do pożądanej wartości nominalnej.

Jeszcze innym czynnikiem, o którym nie wspomniano, jest fakt, że obwód jest zasilany z baterii.

Ponieważ prowadzisz głośnik, zużycie energii będzie znaczące (o czym świadczy użycie LM386), a 9-woltowy akumulator doświadczy znacznego spadku napięcia w ciągu kilku godzin. Napięcie zasilania jest kolejnym czynnikiem determinującym częstotliwość roboczą oscylatora.

Spróbuj wymienić baterię na 9-woltową brodę ścienną i zobacz, co się stanie.

Odpowiedź: przestrajanie następuje ze względu na zmianę właściwości części w wyniku nagrzewania, zmiany temperatury itp. Można to zminimalizować, umieszczając je w komorze o kontrolowanej temperaturze i pozwalając na ustabilizowanie się przed użyciem.

Zrobiłem to samo, używając mikrokontrolera do stworzenia 13 tonów.

https://www.youtube.com/watch?v=4c8idXN4Pg0

Miałem tylko 8 przycisków, kiedy robiłem demo. Do ich odtworzenia użyłem głośnika PC z własnym zasilaniem.

Dźwięki są tworzone z dokładnością do mikrosekund. Ponieważ są one oparte na źródle zegara krystalicznego 16 MHz, nie dryfują.

Sterownik uC, Atmega1284P, ma 32 IO, więc 13 przycisków i 13 wyjść jest obsługiwanych bezpośrednio.

Chcesz więcej notatek? Dodaj kolejny procesor i zmień tablicę zawierającą półokresy tonów.

Nie podoba ci się ton fali prostokątnej? Dodaj filtrowanie do wyjść.

Częstotliwość typowego oscylatora RC jest kontrolowana przez stałą czasową RC i wielkość „rozpadu RC” wymaganą dla każdego cyklu. Jednym z powodów, dla których obwód 555 jest bardziej stabilny niż wiele innych rodzajów oscylatorów relaksacyjnych, jest to, że na charakterystykę tranzystorów nie ma wpływu stosunek napięć, między którymi się waha. Natomiast używany astabilny monowibrator jest bardzo wrażliwy na charakterystykę włączania tranzystorów, które z kolei są wrażliwe na temperaturę.

Domyślam się, że instrument potrzebuje czasu, aby nastroić się i do czasu dostrojenia wszystkie tranzystory osiągną równowagę roboczą. Jeśli ktoś wyłączy instrument, tranzystory ostygną. Jeśli ktoś włączy zasilanie i natychmiast zacznie grać, będzie zimniejszy niż w momencie strojenia instrumentu, ale jeśli czeka się, aż tranzystory osiągną temperaturę, w której zostały nastrojone, strojenie powinno zbliżyć się do tego, co powinno być.

Nawiasem mówiąc, w elektronowym narządzie próżniowym, który dorastałem, wykorzystywałem dostrojone obwody LC, a nie obwody RC. Częstotliwość dostrajanego obwodu LC będzie kontrolowana przede wszystkim przez wartości kondensatora i przestrajalnego cewki indukcyjnej. Jeśli ktoś chce zminimalizować liczbę elementów wzmacniających (narząd użył 1/2 lampy z podwójnym triakiem dla każdego oscylatora), zastosowanie obwodów LC może być praktycznym podejściem, chociaż strojenie cewek o odpowiedniej wielkości prawdopodobnie kosztowałoby więcej niż większość układów.